硅谷探秘：FPGA+OpenCL双剑合璧助力Altera进军数据中心

     半导体行业的趋势是什么？在当前科技日新月异、需求层出不穷的背景下，芯片厂商如何找准自己的定位以不被时代淘汰？近日，EEWORLD记者有幸借助在硅谷举办的euroasia PRESS 拜访Altera公司总部，并从Altera公司总裁、CEO兼董事会主席John Daane先生以及Altera高级副总裁Jeff Waters先生那里得到了他们的答案。

图1 Altera公司总裁、CEO兼董事会主席John Daane先生

迎合半导体发展趋势，Altera蓄势待发

     Daane已经在Altera担任CEO一职近14年，而这几乎是Altera公司31年历史的一半，也见证了Altera从CPLD到FPGA再到SoC的华丽转身。Daane回忆说：“在2003年11月的一个国际会议上我就说过，行业在改变，为了应对持续增加的设计成本，具有可编程功能的设备将更具竞争优势，那时有人当面质疑我的观点。11年过去了，时间证明‘可编程’的趋势已经发生，并且还将继续在更多领域发酵，并最终替代ASSP和ASIC。”

    除了可编程性之外，Daane还总结了半导体行业的4大趋势：持续增加的研发成本、更大的差异化、无限的带宽以及严格的系统功率要求。

    Daane举例说：“我投资1.3亿美元去研发一个28 nm的芯片，投入包括EDA工具和工作站等。如果你将公司营收额的20%进行研发，你可能得到5倍的回报。近几年，Altera研发投入都保持每年增长30%。2013年，Altera的营收额达17.32亿美元，研发投入就高达3.85亿美元。鉴于经济逐渐向好，Altera在2014年表现抢眼，其中基础设施建设起了很大的推动作用，而最大的刺激来自无线和工业。2014年第二季度的营收比2013年同期增长了约7亿美元，我们也相应增加了研发投入，预计今年会花费4.3亿美元用于研发，包括OpenCL、Quartus II软件、各种IP以及芯片本身。”结果也证明多年的铺垫、耕耘以及巨额的研发投入已经让Altera变得更强。目前Altera分布在20个国家，有3000名员工，凭借17.3亿美元的收入成为全球可编程半导体业的领导者，毛利率高达70%，是行业增长最快的。其也曾被福布斯评为全球100家最具创新力企业之一，被SiliconVally.com评为硅谷50强企业。

    针对差异化，Daane表示：“我们和竞争对手涉及的领域其实有一些是没有太大增幅的。如果你回顾一下，一些产业在2010年才增长2%甚至更少，例如电信行业，基本上都没有增长。目前我们的很多竞争者都在高端技术上较量，而当你与竞争对手产品相似时，只有以低价来进行竞争，但这是不明智的，也是很多厂商不愿意做的，像是杀鸡取卵。因此现在大家都选择差异化竞争，而且要迅速地实现差异化，但是差异化竞争确实很激烈和残酷。如果你花2~3年的时间才完成一个硬件系统，你的竞争者很容易就赶上甚至超越你，如果你的设备都是可编程的，做差异化只需要通过软件编程改变FPGA软件包来更新系统，这样就可以领先于竞争者。”

    “对带宽的要求给设备厂商很大的压力，因为是在不增加成本的基础上提高带宽。此外，系统功率要求也越来越高。在固定大小的设备中，人们不断增加新的功能，而总功耗不变，这就必须要减小器件功耗。”Daane说。

    据统计，数据中心功率和散热成本每年高达300亿美元，是购买服务器的4~5倍。因此云服务公司开始把目光转向FPGA以期降低高昂的电费等使用成本，这就给Altera很大的机遇和挑战。
FPGA结合了软件编程和硬件加速，既有DSP这类通用处理器的高灵活性，又有ASIC、ASSP类专用集成电路的高效率，并实现了高性能和低功耗，这也是FPGA自问世就备受推崇的重要原因。Daane强调：“有一点很重要，不是所有的功能都能够用一个器件或者一种架构实现，而是结合起来，把他们系统地结合起来，这就是为什么FPGA也加入了很多元件，包括微处理器、DSP以及模拟部分，我们尽量把有用的资源融入到FPGA中。而最终是用户受益，我们为他们创造了灵活的、容易做差异化的、可编程的FPGA。”

进军数据中心 布局未来世界

    “未来所有的企业都将是互联网公司”的言论在互联网上疯传，也给了很多公司启示。随着物联网的蓬勃发展，与其相关的大数据、软件定义数据中心和云计算等成为热门应用，计算和存储市场成为很多公司的涉猎对象，Altera也不例外。Waters介绍到：“凭借我们优秀的产品，计算和存储市场已成为Altera成长最快的市场，并且在该领域成为最大的FPGA供应商。”

     Waters把影响数据中心的趋势归纳为：网络加速（减少内存瓶颈，降低延迟），管理电能和冷却，CPU卸载以及数据接入（分析、挖掘和访问加速）。而数据中心的挑战主要来自CPU和存储的瓶颈。CPU架构对于绝大多数并行计算应用（如大数据、搜索）并不高效，这导致过度的功率消耗，CPU的瓶颈让其对数据的处理消耗了过多的资源，这导致性能降低（高延迟）。目前市场的应对策略就是定制硬件和架构，谷歌、IBM、惠普和Facebook等知名企业都这样做了。

    FPGA在软件定义数据中心所起的作用是什么呢？主要有资源分享，即计算、存储和网络的虚拟化；加速器，包括网络加速、管理程序卸载、数据访问加速和算法加速；集群计算（CPU和FPGA）以及集群互连。

    FPGA具有超并行体系结构，包括10~100倍的计算单元，允许在单时钟周期内支持多个或不同指令的并行设计，更好的局部存储器避免了瓶颈，此外其可编程性可实现特定应用的加速。这些特性都使得FPGA增加了数据中心的效率，通过算法加速和最大限度地减少瓶颈，FPGA能够极大地提升基于CPU的数据中心处理能力，实现每瓦特性能超过10倍的增长。

    据悉，微软研究院Doug Burger已经在试验一种新的处理器系统来驱动必应Bing服务的后端，这套系统就是由Altera的FPGA 驱动，将以更高效率执行特定的搜索任务。这个计划被命名为 Project Catapult，微软研究院已经测试了1632 台服务器群，每一台服务器都有英特尔 Xeon 处理器和包括 Altera FPGA 处理器的子卡，来验证 Doug Burger 的理论。结果 FPGA 处理的性能是原来 CPU 的 40 倍，但由于一些工作仍由原来的处理器处理，总体性能是原来的 2 倍，已经是非常可观的结果，而且更省能源。由于效果十分理想，微软计划从2015年开始在其数据中心中部署FPGA。

    下表为在搜索、图形缩放、金融建模应用中分别用Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及Altera FPGA加速以后的功耗和性能对比，可以看出，Altera FPGA在各方面遥遥领先。

    表1 Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及Altera FPGA加速功耗和性能对比

OpenCL助FPGA改变数据中心游戏规则

    由于软件是实现差异化的重要一环，很多公司在软件上的投入甚至已经超过了硬件本身。为了让数据中心客户更好地使用FPGA，Altera开发了支持OpenCL的设计工具，以让FPGA编程更友好，软件开发者可直接用C语言对FPGA进行编程，实现每瓦特最好的性能。

    Waters自信地表示：“Altera 的OpenCL对数据中心将有深远的影响，预计到2016年，50%的Altera数据中心生意将采用OpenCL，6个最大的服务器提供商中的4个以及5个最大的投资银行中的3个都选择了Altera OpenCL。”

    OpenCL的支持改变了游戏规则，帮助FPGA渗入主流异构计算的世界。FPGA+OpenCL双剑合璧可以让在线搜索更加快速。中国的搜索巨头百度就采用Altera FPGA+OpenCL作为搜索加速，百度在云数据中心使用FPGA加速，这将对开发更准确、更快的在线搜索功能起到关键作用。FPGA满足了搜索、大数据和深度挖掘这类应用的复杂要求。

    软件定义数据中心是一个正在茁壮成长的市场。目前，数据中心给FPGA带来了约2亿美元的市场，但是Waters预计到2020年该市场将达到10亿美元的规模。Waters表示，Altera凭借性能+效率的定位再加上OpenCL，充分满足了软件定义数据中心的需求。

    在过去6个月，Altera相继发布了Arria 10、Stratix 10以及MAX 10 FPGA及SoC系列，它们都属于Altera“第10代”（Generation 10）产品，为Altera第4个十年开启了加速创新模式，我们也将持续关注Altera的创新成果如何给市场带来的活力。

    全球现代科技的创新之源无疑是美国的硅谷。在硅谷，集结着美国各地和世界各国的科技人员达100万以上，美国科学院院士在硅谷任职的就有近千人，获诺贝尔奖的科学家就达30多人。作为电子行业领先媒体，EEWORLD专程前往美国硅谷，探访全球顶级的芯片公司，从科学研究、技术开发和生产营销等诸多方面发掘他们的优点，为中国读者带来最新鲜的技术报道，为中国科技特别是集成电路产业做出贡献。